真实感水力侵蚀地形建模与绘制
发布时间：2021-11-07 22:10
水力侵蚀地表是现实生活及虚拟场景中常见的一种自然现象。为研究水力对地表的侵蚀现象,提出一种采用光滑粒子流体动力学（SPH）模拟流体对地形表面的湿润以及侵蚀过程的真实感仿真模型。通过对自然界中真实溅蚀现象进行合理简化描述,建立一种包含3个阶段的地形水力溅蚀模型:首先,利用弹丸冲击平板靶材变形模型模拟水流冲击地表变形效果;其次,构建基于达西定律的水流渗透量计算方法以确保地表吸水与水分扩散的真实性;最后,提出将地表湿润度因素对地表侵蚀的影响考虑在内的新型计算模型,实现与冲蚀相融合模拟积水继续运动对地表冲蚀作用。实验结果表明,该模型能够真实地模拟出不同方向的水流对地表的侵蚀效果以及侵蚀过程中地表吸水与湿润扩散现象。
【文章来源】：图学学报. 2020,41(02)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
地表多孔固体颗粒采样图
游??浚??ǘ仁且禾辶Ｗ有?带固体量)；ρf，μf分别为流体粒子的密度和粘性系数；ρs，μs分别为多孔固体颗粒的密度和粘性系数。2侵蚀模型与已有对侵蚀的研究相比，本文扩展了侵蚀的种类。在流体对地形侵蚀阶段，基于KRITOF等[17]的冲蚀模型，提出了一种包含溅蚀过程的侵蚀模型。同时引入达西定律保证水分在地表扩散物理过程的真实性，并且提出的侵蚀模型计算方法能够描述湿润因素对地表变形影响。2.1溅蚀地表变形阶段可采用弹丸冲击平面靶材变形模型进行模拟。如图3所示，当一定速度的弹丸撞击平面靶材时，由于冲击力的作用平面靶材发生形变，形变的宽度ap和深度dp与速度v之间关系的计算方法为[28]29fpsdRv(13)12849fpsvaR(14)其中，R为弹丸的半径；σs为平面靶材的屈服强度。对于溅蚀的某个区域地表变形与其周围多孔固体颗粒的湿润程度有关，地表越湿润越容易发生形变，所以地表的屈服强度会随着湿润值的增大而减小，基于此性质提出了描述屈服强度与地表多孔固体颗粒饱和度之间相互关系的计算模型01101,0()(),01,1sf(15)其中，21()1efe；σ0和σ1分别为多孔固体颗粒干燥和饱和时相应地表的屈服强度。溅起或者卷入水中的沙土与液体形成泥浆，其密度与粘滞力由式(10)和式(11)求得，同时对于泥浆粒子，若其与周围粒子有浓度差，会产生浓度扩散现象，该现象可通过以下模型进行求解d(),dijijijjijCmDCCWhtr-r(16)其中，D为扩散系数。由于泥?
174计算机图形学与虚拟现实2020年(图7(a))；当σs=σ1时，地表湿润达到饱和，冲击形成的水坑深(图7(c))。本文计算方法效果如图7(b)所示，坑的深浅介于前两者之间，证明该方法可描述出湿润对地表变形的影响。图8(a)和图9(a)展示了水流刚开始接触地表且湿润地表现象，从图8(b)与图9(b)可以看出水流对地表的侵蚀与地表吸水及湿润扩散的效果，图8(c)和图9(c)是地表完全干涸之后形成的水洼。由此可以看出本文中溅蚀模型具有较好的模拟效果。图8和图9中水流垂直冲撞地表时，其侵蚀现象主要是溅蚀，表2前2行数据也印证了本文溅蚀模型的可靠性。(a)第100帧(b)第200帧(c)第300帧(d)第400帧(e)第500帧(f)第600帧(g)第700帧(h)第800帧(i)第900帧(j)第1000帧(k)第1100帧(l)第1200帧图6水分扩散序列图(a)σs=σ0(b)110=()()sf(c)σs=σ1图7不同屈服强度形成水坑深度图
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SPH的雨滴打击不规则边界的模拟方法[J]. 刘嘉瑞,杨猛,吴佳泽,杨刚. 图学学报. 2018(03)
[2]一种基于GPU的弹坑实时绘制方法[J]. 郑顾平,邢玥,张荣华. 图学学报. 2016(04)
[3]考虑前期降雨过程的边坡稳定性分析[J]. 唐栋,李典庆,周创兵,方国光. 岩土力学. 2013(11)
[4]一种基于粒子的牛顿流体与粘弹性流体统一模拟方法[J]. 常元章,柳有权,鲍凯,朱鉴,吴恩华. 计算机学报. 2010(07)
[5]基于小尺度的城市暴雨内涝灾害情景模拟与风险评估[J]. 尹占娥,许世远,殷杰,王军. 地理学报. 2010(05)
[6]多相流灾害场景的真实感建模与绘制[J]. 杨志亮,王章野,柯晓棣,彭群生. 计算机辅助设计与图形学学报. 2008(08)
[7]基于GPU带有复杂边界的三维实时流体模拟[J]. 柳有权,刘学慧,吴恩华. 软件学报. 2006(03)
[8]雨水入渗对非饱和土坡稳定性影响的参数研究[J]. 吴宏伟,陈守义,庞宇威. 岩土力学. 1999(01)
硕士论文
[1]混合水射流冲击强化不同几何特征表面的研究[D]. 张远西.郑州大学 2018
[2]布料湿润过程的模拟[D]. 史鑫.上海交通大学 2015
[3]泥石流现象的真实感建模与绘制[D]. 杨志亮.浙江大学 2008
本文编号：3482484
【文章来源】：图学学报. 2020,41(02)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
地表多孔固体颗粒采样图
游??浚??ǘ仁且禾辶Ｗ有?带固体量)；ρf，μf分别为流体粒子的密度和粘性系数；ρs，μs分别为多孔固体颗粒的密度和粘性系数。2侵蚀模型与已有对侵蚀的研究相比，本文扩展了侵蚀的种类。在流体对地形侵蚀阶段，基于KRITOF等[17]的冲蚀模型，提出了一种包含溅蚀过程的侵蚀模型。同时引入达西定律保证水分在地表扩散物理过程的真实性，并且提出的侵蚀模型计算方法能够描述湿润因素对地表变形影响。2.1溅蚀地表变形阶段可采用弹丸冲击平面靶材变形模型进行模拟。如图3所示，当一定速度的弹丸撞击平面靶材时，由于冲击力的作用平面靶材发生形变，形变的宽度ap和深度dp与速度v之间关系的计算方法为[28]29fpsdRv(13)12849fpsvaR(14)其中，R为弹丸的半径；σs为平面靶材的屈服强度。对于溅蚀的某个区域地表变形与其周围多孔固体颗粒的湿润程度有关，地表越湿润越容易发生形变，所以地表的屈服强度会随着湿润值的增大而减小，基于此性质提出了描述屈服强度与地表多孔固体颗粒饱和度之间相互关系的计算模型01101,0()(),01,1sf(15)其中，21()1efe；σ0和σ1分别为多孔固体颗粒干燥和饱和时相应地表的屈服强度。溅起或者卷入水中的沙土与液体形成泥浆，其密度与粘滞力由式(10)和式(11)求得，同时对于泥浆粒子，若其与周围粒子有浓度差，会产生浓度扩散现象，该现象可通过以下模型进行求解d(),dijijijjijCmDCCWhtr-r(16)其中，D为扩散系数。由于泥?
174计算机图形学与虚拟现实2020年(图7(a))；当σs=σ1时，地表湿润达到饱和，冲击形成的水坑深(图7(c))。本文计算方法效果如图7(b)所示，坑的深浅介于前两者之间，证明该方法可描述出湿润对地表变形的影响。图8(a)和图9(a)展示了水流刚开始接触地表且湿润地表现象，从图8(b)与图9(b)可以看出水流对地表的侵蚀与地表吸水及湿润扩散的效果，图8(c)和图9(c)是地表完全干涸之后形成的水洼。由此可以看出本文中溅蚀模型具有较好的模拟效果。图8和图9中水流垂直冲撞地表时，其侵蚀现象主要是溅蚀，表2前2行数据也印证了本文溅蚀模型的可靠性。(a)第100帧(b)第200帧(c)第300帧(d)第400帧(e)第500帧(f)第600帧(g)第700帧(h)第800帧(i)第900帧(j)第1000帧(k)第1100帧(l)第1200帧图6水分扩散序列图(a)σs=σ0(b)110=()()sf(c)σs=σ1图7不同屈服强度形成水坑深度图
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SPH的雨滴打击不规则边界的模拟方法[J]. 刘嘉瑞,杨猛,吴佳泽,杨刚. 图学学报. 2018(03)
[2]一种基于GPU的弹坑实时绘制方法[J]. 郑顾平,邢玥,张荣华. 图学学报. 2016(04)
[3]考虑前期降雨过程的边坡稳定性分析[J]. 唐栋,李典庆,周创兵,方国光. 岩土力学. 2013(11)
[4]一种基于粒子的牛顿流体与粘弹性流体统一模拟方法[J]. 常元章,柳有权,鲍凯,朱鉴,吴恩华. 计算机学报. 2010(07)
[5]基于小尺度的城市暴雨内涝灾害情景模拟与风险评估[J]. 尹占娥,许世远,殷杰,王军. 地理学报. 2010(05)
[6]多相流灾害场景的真实感建模与绘制[J]. 杨志亮,王章野,柯晓棣,彭群生. 计算机辅助设计与图形学学报. 2008(08)
[7]基于GPU带有复杂边界的三维实时流体模拟[J]. 柳有权,刘学慧,吴恩华. 软件学报. 2006(03)
[8]雨水入渗对非饱和土坡稳定性影响的参数研究[J]. 吴宏伟,陈守义,庞宇威. 岩土力学. 1999(01)
硕士论文
[1]混合水射流冲击强化不同几何特征表面的研究[D]. 张远西.郑州大学 2018
[2]布料湿润过程的模拟[D]. 史鑫.上海交通大学 2015
[3]泥石流现象的真实感建模与绘制[D]. 杨志亮.浙江大学 2008
本文编号：3482484
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